堿性鋅錳電池生產設備的進展和發展方向

李 勝，楊 林

(1.湖南輕工研究院有限責任公司，湖南 長沙 410015； 2.重慶電池總廠，重慶 401120)

?

·綜 述·

堿性鋅錳電池生產設備的進展和發展方向

李 勝1，楊 林2

(1.湖南輕工研究院有限責任公司，湖南 長沙 410015； 2.重慶電池總廠，重慶 401120)

從電池制造過程(正負極、隔膜、電解液、封口和包裝等)和在線檢測的角度，對堿錳電池生產設備的研究進展進行綜述。認為需要加強電池制造過程的智能化和更高速的電池制造設備的研發。

堿錳電池； 生產設備； 智能化； 高速化

我國是堿性鋅錳(堿錳)電池的生產大國，年產量位居世界前列。據中國電池工業協會統計，2014年的堿錳電池產量達120億只。堿錳電池的生產，需要高質量的設備，而我國高速堿錳電池生產設備的進口程度較高。國內生產工作者對堿錳電池生產設備進行了很多研究和改進。楊林[1]分析了日本東芝和富士、韓國火箭和美國金霸王等公司的設備，建議將相關技術互相結合、取長補短，在引進的基礎上，進行消化、吸收和創新。南孚公司和中銀(寧波)公司自主研發的堿錳電池自動化生產線，都曾榮獲國家科技進步獎[2]。

本文作者從電池制造過程和在線檢測的角度，對相關報道進行綜述，并指出設備的發展方向，以期為堿錳電池生產設備的研發提供參考。

1 堿錳電池制造設備

1.1 正、負極

麥國慶等[3]將壓力傳感器用于堿錳電池制環機，通過壓力判斷錳環的質量，將LR6電池錳環質量的極差范圍控制在0.15 g以內，以提高質量穩定性。徐良桂[4]設計了采用旋轉機構完成入環深度檢測的設備，確保入環深度滿足工藝要求，以保障電池的安全。盧彬[5]將運動控制系統應用于電池鋅膏注入工藝，通過設置伺服電機的運行行程、速度和時間，將鋅膏的質量精度提高到0.1 g，且表面較為平整，沒有拖尾、滴落及臟污等現象，設備具有穩定的工序能力(CP值)和過程能力(CPK值)。余谷峰等[6]研制的鋅膏注入機，將30個灌裝工位排列成圓形，使用電池托模固定電池殼的位置，便于鋅膏的精確注入；鋅膏灌裝動作通過一個垂直伺服和一個泵伺服配合完成。堿錳電池生產設備的智能化和高速化，關鍵是保證產品內在質量。生產線的重點是打環機、復壓機、加鋅膏機和卷邊機等。打環機是生產線上的首臺設備，釆用多工位連續漸進式成型，速度可達2 000只/min以上。復壓機在正極環進入鋼殼后，通過復壓使若干個正極環形成一體，以保證電池內部各物質的緊密接觸。

1.2 隔膜、電解液

章燕麗等[7]在隔膜紙插入機中使用DeviceNet現場網絡，實現設備故障的快速診斷。應興明[8]設計、開發的堿性電池高速隔離管制造機，將隔離紙卷繞成型、底部熱縮和插入鋼殼等工藝步驟在電池組裝生產線上完成，速度達600只/min。朱效銘[9]研制的隔膜紙自動送紙機構，與隔膜紙燙頭插入機配合，可實現隔膜紙燙頭插入機不停機連續送紙，提高了生產自動化程度和生產效率。王正雍等[10]設計開發的伺服驅動注液機，由定位模塊、伺服驅動器和伺服馬達等部分組成，可設置9種工藝參數，在880只/min生產速度下的注液精度達0.02 g，高于氣動注液機的1.00 g。研制的注液系統調節裝置，僅通過調整凸輪的上下位置，即可完成不同型號電池的注液，可降低電池的制造成本[11]。

加入電解液和鋅膏是形成電池內部離子導電通道和負極活性物質參與化學反應的必需條件。電解液偏多，隔膜紙不能在規定時間內完成對電解液的吸收，導致鋅膏加入時溢出隔膜管外，會造成內部短路；電解液偏少，離子導電通道不暢，內部離子導電能力降低，電氣性能和容量受到影響。

1.3 封口

于峰等[12]研制了全自動堿錳電池涂封口膠裝配機，由傳送鏈傳動、自動上料傳動、滾壓頭傳動和涂膠等系統組成，采用單片機控制，最高涂膠速度為60只/min，涂膠厚度為0.1～0.2 mm，既適用于LR6、LR03電池的單機自動生產，又可用于生產線配套。王凱恒等[13]研制的封口劑涂布裝置，通過調控驅動裝置的驅動力來調節涂布機的位移；調控涂布機內封口劑的流量，實現對鋼殼封口劑的連續涂布。朱效銘等[14]研制的涂膠嘴加熱裝置，將封口膠保持在合適的熔點溫度，避免封口膠在涂膠嘴內因溫度下降導致的流動性變差和堵塞涂膠嘴等問題。錢靖等[15]將觸摸屏與可編程序控制器(PLC)結合，用于電池封口成型機，通過設計PLC軟件和觸摸屏畫面，提高成型機的效率，用于LR6電池生產線，日產電池可達52萬只。卷邊機直接關系電池的漏液和貯存性能，卷邊后鋼殼受壓的弧度、形狀和高度都非常重要。伊良熺[16]對高速堿錳電池封口裝備進行改進，將卷邊總量增加至原先的1.5倍，并增大凸輪工作行程段的弧度，以減小鋼殼在單位時間內的變形量，使卷邊后的表面更加平整、光滑。該裝備的封口工藝執行可靠，運行穩定、故障率低。

2 其他設備

劉綺玲等[17]探討了LR20、LR14電池兼容生產線的工藝，實現了用同一套設備生產這兩種型號的電池。黃科帥等[18-19]研制的堿性電池收口預密封處理用負極體頂入機構，可克服頂入桿彎曲變形的問題，提高電池的安全性能。

集流體點焊機將負極底和集流體焊接成為一個整體，若出現虛焊、漏焊或焊接不牢，容易導致電池報廢。殷蘇民等[20]在高速堿錳電池負極釘點焊機中應用精密電阻焊技術，采用氧化鋁強化分散銅(CuAl2O3)做成的圓柱形電極，將負極底與集流體焊接起來，焊接強度較高，成品負極釘中沒有假焊、焊接不牢和焊點過燒發黑等現象。集流體表面處理技術(鍍銦或鍍錫)，決定著電池的內部氣體產生量和貯存性能。目前商品堿錳電池的有效期，國內產品一般為3～5 a，國外的為5～8 a，個別的為10 a。

以上重點討論堿錳電池生產中的一些關鍵設備，并不說明其他設備不重要，而是上述設備在電池生產過程中起著極為重要的作用，控制不好，容易導致電池內部出現質量缺陷。

3 在線檢測

通過影像系統實現對質量的自動監控，以提高電池裝配設備的全線自動化，是電池生產技術發展的方向。

錢靖等[21]將影像系統與PLC相結合，用于設定并監控電池商標的標貼。通過設計影像系統、設置PLC軟件程序，在生產線上及時排出不合格產品。趙鋒良等[22]研制的密封圈強度檢測裝置，可輕松分離密封圈與頂針，操作過程簡單、周期短，生產效率較高。張志明[23]設計、開發的LR6電池底圈驗電機，針對底圈插入機和驗電機在生產過程中出現的問題，將驗電工序放到底圈插入工序之后，取消驗電機和底圈機之間的提升跑道，將兩臺機器合為一體，并改變與貼標機連接的提升跑道的入口設計，去掉跑道的拐角，并將電池驗電方式從臥式改為立式，改變低壓電池擊打排出結構，增加二次驗電工藝，設備的設計速度可達600只/min。范肇平[24]將增量式旋轉編碼器與特定的計數裝置配合使用，為高速檢測電池電壓設備提供準確的位置同步信號，實現了電壓的準確定位測量。童奇波等[25]從硬件和軟件兩個方面對自動電池校電機的控制系統進行設計，既考慮檢測的實時性，又保證機械設備的制作精度，設計的自動電池校電機工作穩定、性能良好。殷蘇民等[26]設計的基于PLC和觸摸屏技術的高速電池驗電機，可一次性地檢測電池的開路電壓、負載電壓或短路電流，并實現正、次品的分選與統計，檢測精度、可靠性和性價比都比較高。殷蘇民等[27]設計了一種排列式堿錳電池綜合參數在線檢測系統，對測量方案和軟硬件系統進行設計，包括系統的結構方案設計、硬件選型、現場總線組網以及PLC和觸摸屏程序設計。通過檢重工位、開路電壓檢測工位的檢測和剔除工位的篩選，可在線檢測電池的質量和開路電壓。楊晶等[28]開發的電池生產實時監控系統，綜合利用光、機、電、IT技術和質量數據分析等技術，可保證電池質量的一致性和穩定性，及時掌握生產線上的情況。

在線檢測的意義在于保證生產過程中的品質。如正極環成形后就稱重，達到質量要求才能進入下道工序，否則自動剔除；入環后經過復壓，釆用光感等手段檢測環距筒口的距離，判斷復壓是否到位；在進入插隔離管機前再次稱重，剔出破環等不合格產品。在加入電解液及鋅膏后再次稱重，此時為決定電池質量的關鍵工序，若達質量要求，將裝配負極集流體，成為半成品電池，反之則剔除。堿錳電池生產設備的很多工序，利用物理原理配合傳感器、接近開關、氣動元件和機械手等進行質量檢測，如判斷鋼殼滾線、卷邊封口是否符合標準圖形，利用透視技術觀察電池內部有無正極環缺損、隔離管破裂或微孔、鋼殼裂紋或砂眼等。在經過自然存化或加嚴存化后、貼商標封裝前，需進行電壓、電流的檢測。國外堿錳電池生產線的在線檢測，很多已從傳統的物理原理改進為利用影像透視、成像等方式。在線檢測需要依靠零配件的高品質，才能充分發揮預防的作用。

4 發展方向展望

良好的生產設備是生產優質堿錳電池的重要基礎。國內自制的電池生產設備速度基本上以400～600只/min為主，國外堿錳電池的生產線速度已達1 000只/min甚至更快，需要加強研發相關生產設備。可考慮加強影像系統實現對質量的自動監控研究，以提高電池裝配設備的全線自動化。

我國通過引進國外先進的堿錳電池生產設備和技術，經過消化、吸收和創新，已經研發了自動化堿錳電池生產線，為我國堿錳電池快速發展奠定了良好的基礎。在2015年上半年，國家有關部門提出要提升我國工業制造水平的檔次，從工業大國通過技術創新、科技進步等手段成長為工業強國。我國堿錳電池行業應抓住這一機遇，爭取有關部門和政策的支持，再上一個新臺階，具體來說，即智能化和高速化。智能化就是通過新技術，發展智能機器人用于電池生產，如拌粉工序減少粉塵對員工的影響，也可應用在鋼殼、粉料和零配件的自動送料、半成品電池的自動裝盆、裝車及送入存化場地等，如自動貼商標、熱縮套裝或掛卡裝等到自動裝盒裝箱打包入庫等。高速化就是在現有400～600只/min生產速度的基礎上，提高到1 000～1 200只/min或更快。

[1] YANG Lin(楊林). 堿錳電池引進設備及工藝特點[J]. Battery Bimonthly(電池)，2000，30(2)：65-67.

[2] 我國電池行業自主創新意識增強[EB/OL]. http：//www. gov.cn/banshi/2006-02/06/content_179235.htm，2006-02-06.

[3] MAI Guo-qing(麥國慶)，HU Yu-fen(胡宇芬). 壓力傳感器在堿性鋅錳電池制環機中的應用[J]. Dianchi Gongye(電池工業)，2006，11(3)：166-167.

[4] XU Liang-gui(徐良桂). 流水線電池性能檢測機構設計的簡要概述[J]. Mechanical Engineer(機械工程師)，2013，(7)：202-203.

[5] LU Bin(盧彬). 運動控制系統在電池鋅膏注入工藝中的應用[J]. Mechanical Engineer(機械工程師)，2013，(7)：152-153.

[6] YU Gu-feng(余谷峰)，YANG Peng-fei(楊鵬飛)，WANG Jian-yu(王建裕). 鋅膏注入機[P]. CN：201120095719.X，2011-04-02.

[7] ZHANG Yan-li(章燕麗)，ZHU Xiao-ming(朱效銘). DeviceNet總線在隔膜紙插入機中的應用[J]. Battery Bimonthly(電池)，2006，36(2)：144-145.

[8] YING Xing-ming(應興明). 堿性電池高速隔離管制造機的設計與開發[J]. Mechanical Engineer(機械工程師)，2014，(5)：272-273.

[9] ZHU Xiao-ming(朱效銘). 堿性電池隔膜紙自動送紙機構[P]. CN：201420113200.3，2014-03-13.

[10]WANG Zheng-yong(王正雍)，YANG Shang-hua(楊上華)，ZHENG Yue(鄭躍). 伺服驅動注液機的設計與開發[J]. Battery Bimonthly(電池)，2010，40(5)：279-281.

[11]WANG Zheng-yong(王正雍). 用于堿性電池注液系統的調節裝置[P]. CN：201420033484.5，2014-01-20.

[12]YU Feng(于峰)，CHEN En-ping(陳恩平)，XIA Guang-lan(夏廣嵐). 全自動堿錳電池涂封口膠裝配機研制[J]. Mechanical Engineer(機械工程師)，2007，(8)：136-137.

[13]WANG Kai-heng(王凱恒)，ZHOU Ke-wei(周科威)，FU Xiang-fang(傅祥方). 一種堿性電池封口劑涂布裝置[P]. CN：201220716567.5，2012-12-21.

[14]ZHU Xiao-ming(朱效銘)，CHEN Shi-zhu(陳石朱). 涂膠嘴加熱裝置[P]. CN：201420346741.0，2014-06-27.

[15]QIAN Jing(錢靖)，PAN Ru-gang(潘如剛). 觸摸屏結合PLC在電池封口成型機中的應用[J]. Battery Bimonthly(電池)，2007，37(2)：125-126.

[16]YI Liang-xi(伊良熺). 高速堿錳電池封口裝備的改進設計[J]. Mechanical Engineer(機械工程師)，2012，(8)：183-184.

[17]LIU Qi-ling(劉綺玲)，NI Hua-jin(倪華錦)，LI Feng-ming(黎鳳鳴). LR20L/R14電池兼容生產線的工藝探討[J]. Dianchi Gongye(電池工業)，2007，12(5)：328-329.

[18]HUANG Ke-shuai(黃科帥)，CHEN Jian(陳劍)，JIANG Zeng-li(蔣增麗). 一種用于堿性電池收口預密封處理的負極體頂入機構[P]. CN：201220716230.4，2012-12-21.

[19]HUANG Ke-shuai(黃科帥)，CHEN Jian(陳劍)，JIANG Zeng-li(蔣增麗). 一種用于堿性電池收口預密封處理的負極體頂入機構[P]. CN：201210563285.0，2012-12-21.

[20]YIN Su-min(殷蘇民)，LIU Su-xia(劉素霞)，WU Guo-ping(吳國平). 精密電阻焊技術在高速堿錳電池負極釘點焊機中的應用[J]. Machinery Design & Manufacture(機械設計與制造)，2008，(7)：90-92.

[21]QIAN Jing(錢靖)，PAN Ru-gang(潘如剛). 影像系統結合PLC在電池行業中的應用[J]. Battery Bimonthly(電池)，2005，35(5)：382-383.

[22]ZHAO Feng-liang(趙鋒良)，CHEN Chang-qi(陳長琪)，SHI Zhen-hua(史振華)，etal. 一種堿性電池密封圍強度檢測裝置[P]. CN：201320749366.X，2013-11-21.

[23]ZHANG Zhi-ming(張志明). LR6堿性電池底圈驗電機的設計與開發[J]. Mechanical Engineer(機械工程師)，2013，(1)：122-124.

[24]FAN Zhao-ping(范肇平). 旋轉編碼器在高速電池電壓檢測設備中的應用[J]. Mechanical Engineer(機械工程師)，2012，(8)：130-131.

[25]TONG Qi-bo(童奇波)，QIAN Jing(錢靖). 自動電池校電機控制系統的設計[J]. Battery Bimonthly(電池)，2006，36(6)：464-465.

[26]YIN Su-min(殷蘇民)，ZHAO Chun-rong(趙春榮). 高速電池驗電機控制系統的設計[J]. Machinery Design & Manufacture(機械設計與制造)，2006，(6)：188-189.

[27]YIN Su-min(殷蘇民)，WANG Zu-sheng(王祖聲)，WU Guo-ping(吳國平)，etal. 堿錳電池綜合參數在線檢測系統設計[J]. Machinery Design & Manufacture(機械設計與制造)，2014，(8)：148-150.

[28]YANG Jing(楊晶)，MO Wei-hua(莫偉華)，XU Mei-rong(徐美榮)，etal. 電池生產實時監控系統的開發[J]. Dianchi Gongye(電池工業)，2006，11(3)：163-165.

Research progress and development trend of production equipment for alkaline Zn/MnO2battery

LI Sheng1，YANG Lin2

(1.LightIndustryResearchInstituteofHunan，Changsha，Hunan410015，China； 2.ChongqingBatteryGeneralFactory，Chongqing401120，China)

Research progress in production equipment of alkaline Zn/MnO2battery was summarized from the view of battery manufacturing process(such as anode and cathode，separator，electrolyte，sealing and packing)and online detection. The research and development of battery manufacturing process and battery production equipment with higher speed should be strengthened.

alkaline Zn/MnO2battery； production equipment； intelligence； high-speed

李 勝(1977-)，男，湖南人，湖南輕工研究院有限責任公司助理研究員，研究方向：電池，本文聯系人；

TM911.14

A

1001-1579(2015)04-0225-03

2015-05-20

楊 林(1955-)，男，重慶人，重慶電池總廠副廠長(已退休)，高級工程師，研究方向：電池。